炭纖維復(fù)合材料界面自組裝結(jié)構(gòu)的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、本文采用分子自組裝方法對(duì)炭纖維(CF)表面進(jìn)行改性，從而在CF復(fù)合材料界面實(shí)現(xiàn)可調(diào)控、定向有序排列的界面相。并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬方法，在分子水平上探索了炭纖維聚合物基復(fù)合材料的界面作用規(guī)律，這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)復(fù)合材料界面科學(xué)理論及表面處理技術(shù)的發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　針對(duì)環(huán)氧樹脂(EP)，選用金表面自組裝硫醇分子體系。采用分子模擬方法探討了不同鏈長(zhǎng)、不同末端官能團(tuán)的硫醇分子對(duì)分子自組裝膜(SAMs)/Au(111

2、)與環(huán)氧樹脂界面性能的影響，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　在分子模擬部分，采用密度泛函理論(DFT)研究了甲基硫醇(MT)及2-巰基乙醇(ME)在Au(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明其最穩(wěn)定的吸附位置為bri-fcc位。在 DFT研究基礎(chǔ)上，建立了滿覆蓋率下的功能化烷基硫醇分子 S(CH2)nX(X=-OH、-NH2、-COOH，n=1~17)在Au(111)表面的初始吸附結(jié)構(gòu)，并采用MD模擬方法對(duì)其排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究

3、。模擬結(jié)果表明，不同末端官能團(tuán)的SAMs結(jié)構(gòu)隨鏈長(zhǎng)的變化趨勢(shì)是相似的，并且三種 SAMs的穩(wěn)定性強(qiáng)弱順序?yàn)椋篠(CH2)nCOOH＞S(CH2)nNH2＞S(CH2)nOH。
　　以 Au(111)表面自組裝 S(CH2)nX的 MD模擬結(jié)果為初始表面模型，建立了SAMs/Au(111)與環(huán)氧樹脂的界面模型，通過(guò)模擬退火法，尋找最低能量的界面結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果表明，對(duì)三種不同的界面體系，界面結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定時(shí)的自組裝分子鏈長(zhǎng)分別為 n=10

4、、11。這三種界面體系的穩(wěn)定性順序?yàn)椋篠(CH2)nNH2/EP＞S(CH2)nCOOH/EP＞S(CH2)nOH/EP。
　　采用化學(xué)鍍金方法使CF表面金屬化，然后在其表面自組裝上5種硫醇分子[S(CH2)nOH(n=2,6,11)、S(CH2)2NH2、S(CH2)2COOH]，考察不同的自組裝分子對(duì)CF/EP復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度(IFSS)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于S(CH2)nOH，鏈長(zhǎng)n為11的復(fù)合材料的IFSS比n=2

5、、6的復(fù)合材料的IFSS要高，并且隨著鏈長(zhǎng)的增加，IFSS先減小后增大。而對(duì)于同一鏈長(zhǎng)、不同末端官能團(tuán)的硫醇分子，其復(fù)合材料 IFSS的大小順序?yàn)椋篠(CH2)2NH2＞S(CH2)2COOH＞S(CH2)2OH。這一結(jié)果與本文MD模擬結(jié)果完全一致。
　　針對(duì)聚芳基乙炔(PAA)樹脂，選用羥基化表面/有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑的自組裝體系。采用MD方法重點(diǎn)研究了偶聯(lián)劑鏈長(zhǎng)對(duì)CF/PAA界面性能的影響。模擬結(jié)果表明，CF/PAA界面作用能隨偶聯(lián)

6、劑分子鏈長(zhǎng)的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)n=100時(shí)，界面能最低，界面結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。CF/PAA界面作用能與硅烷偶聯(lián)劑的分子鏈與 PAA分子之間發(fā)生的纏結(jié)作用以及偶聯(lián)劑碳鏈在炭纖維表面的覆蓋率有關(guān)。
　　采用臭氧化法對(duì)CF表面進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑改性，并對(duì)自組裝不同鏈長(zhǎng)偶聯(lián)劑(n=1~18)的CF/PAA復(fù)合材料進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和IFSS測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著偶聯(lián)劑碳鏈長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料的界面強(qiáng)度逐漸增大。對(duì)其層間剪切